Conception et développement d'un processus intégré de traitement de l'eau
Traitement de l'eau issue d'une usine de dessalement et traitement des eaux usées contenant de la polyéthylèneimine et des sels dissous
Aperçu du projet
Client : Sirona Technologies
Localisation : Sultanat d'Oman
Secteur : Technologie
Résultats clés
Unité de production d'eau conçue
Un système d'osmose inverse produisant de l'eau déminéralisée à un taux de récupération de 76,2 %, couvrant l'intégralité des besoins en eau d'appoint du processus DAC pour un coût opérationnel total de 6,12 €/m³.
Processus de traitement des eaux usées défini
Quatre technologies évaluées dans le cadre de trois modèles technico-économiques, avec la nanofiltration identifiée comme solution privilégiée pour éliminer la polyéthylèneimine en dessous de la limite de rejet de 0,5 mg/L.
Coûts d'investissement et d'exploitation quantifiés
L'investissement en capital pour l'unité de production d'eau est estimé entre 25 et 60 k€, avec une analyse claire des compromis entre une configuration manuelle et une configuration entièrement automatisée.
Le défi
Un système de capture directe du carbone dans une zone aride et isolée, où l'eau est à la fois indispensable au processus et rare, nécessitant un traitement aussi bien côté approvisionnement que côté rejet.
Sirona Technologies développe et fabrique des systèmes de capture directe du carbone (DAC) conçus pour extraire le CO₂ de l'atmosphère en vue de son stockage souterrain permanent. L'eau joue un rôle essentiel dans le processus DAC : elle est utilisée à la fois comme vecteur thermique et comme vecteur chimique au sein d'un cycle vapeur-condensat. Un sorbant poreux capture le CO₂ de l'air, puis le libère lorsqu'il est chauffé par la vapeur lors de la régénération. La majorité de la vapeur retourne dans le système sous forme de condensat, mais des pertes sont inévitables, ce qui nécessite un approvisionnement continu en eau d'appoint de haute pureté.
Le site de déploiement prévu est situé dans une zone isolée du Sultanat d'Oman, à proximité du littoral. Aucune source d'eau adaptée n'est disponible sur place : l'eau d'alimentation doit être fournie par une usine de dessalement voisine, par canalisation ou par camion-citerne. Cette eau doit être traitée jusqu'à une qualité déminéralisée avant d'alimenter la chaudière en toute sécurité, car le calcaire et la corrosion compromettraient à la fois l'efficacité du processus et la durée de vie des équipements.
Du côté des rejets, les condensats produits lors des cycles de désorption du CO₂ contiennent des traces de polyéthylèneimine (PEI), un composé chimique sorbant utilisé dans le processus de capture. Le PEI ne doit pas s'accumuler dans la chaudière et ne peut pas être rejeté au-delà de 0,5 mg/L. Les sels dissous issus des purges de chaudière constituent un second défi de traitement, avec une limite de rejet de 3 000 mg/L. Les deux flux nécessitent un traitement avant tout rejet en toute conformité.
Sirona a mandaté Revalio pour concevoir une stratégie intégrée de gestion de l'eau couvrant à la fois les aspects approvisionnement et rejet du processus DAC, et pour fournir les bases technico-économiques nécessaires aux décisions d'investissement.
Ce que Revalio a réalisé
L'étude a été structurée en deux parties, chacune suivant une méthodologie de cartographie des qualités, de sélection technologique, de conception du traitement et d'analyse technico-économique.
Partie A : Unité de production d'eau
L'eau d'alimentation fournie par l'usine de dessalement s'est révélée de qualité relativement élevée, proche des normes d'eau potable. Cependant, pour protéger la chaudière contre le calcaire et la corrosion et permettre plus de 200 cycles de concentration, une conductivité inférieure à 30 μS/cm est requise, ce que l'eau d'alimentation seule ne peut pas atteindre.
L'osmose inverse (OI) a été identifiée comme la technologie la plus fiable et la plus économique pour combler cet écart de qualité. Une séquence de prétraitements a été conçue en amont de la membrane OI, comprenant microfiltration, charbon actif, adoucissement et désinfection UV, afin de protéger la membrane et d'en prolonger la durée de vie.
L'unité OI a été dimensionnée à un débit nominal de 400 L/h pour couvrir la demande de conception du DAC de 157 L/h, avec une marge pour les variations opérationnelles. Dans un scénario conservateur à 15°C, le système produit un perméat à environ 8 μS/cm avec un taux de récupération de 76,2 %. Le prélèvement total sur l'alimentation en dessalement est projeté à 1 731 m³/an pour produire 1 319 m³/an d'eau déminéralisée. L'investissement en capital est estimé entre 25 et 60 k€ selon le niveau d'instrumentation et d'automatisation, avec un coût opérationnel de 4,9 €/m³ essentiellement lié au prix d'achat de l'eau d'alimentation.
Partie B : Unité de traitement des eaux usées
Deux flux de rejet nécessitent un traitement : les condensats des cycles de désorption du CO₂ contenant du PEI, et les eaux de purge de chaudière contenant des sels dissous. Quatre technologies ont été évaluées : le charbon actif (CA), la nanofiltration (NF) et des combinaisons des deux.
Scénario de traitement | Élimination du PEI | Volume de purge | Complexité |
Charbon actif seul | ~90% | Élevé | Faible |
CA combiné avec NF | ~100% | Max 40 L/h | Moyen |
Nanofiltration seule | ~100% | Max 10 L/h | Plus élevée |
La nanofiltration seule est apparue comme l'option la plus attractive : elle atteint près de 100 % d'élimination du PEI, génère le volume de déchets liquides le plus faible, ne nécessite aucune élimination de déchets secs et évite complètement l'entrée du PEI dans la chaudière. L'ajout d'un bassin d'évaporation passive à l'air libre, nécessitant entre 100 et 140 m² de surface, peut encore réduire les volumes de déchets liquides et minimiser les coûts opérationnels. Le charbon actif a été retenu comme option de secours pour les périodes de maintenance ou en cas de défaillance du système.
Comment fonctionne l'étude
L'étude d'ingénierie de Revalio suit une approche structurée visant à réduire les risques liés aux investissements technologiques avant tout engagement de capital.
Le processus débute par la cartographie des qualités : définir précisément ce que contient chaque flux d'eau à l'entrée et ce qu'il doit satisfaire à la sortie, que ce soit pour un usage process ou pour la conformité des rejets. Les technologies sont ensuite passées en revue et présélectionnées par rapport à ces objectifs de qualité, et des modèles détaillés sont construits pour comparer les performances, la consommation d'eau, la production de déchets et les coûts selon les différents scénarios.
Pour Sirona, cela a signifié travailler simultanément sur deux problèmes de traitement très différents : produire une eau ultra-pure à partir d'une alimentation en eau dessalée dans un environnement désertique isolé, et traiter un flux d'eaux usées chimiquement spécifique contenant un composé sorbant soumis à des limites réglementaires de rejet strictes. Résoudre les deux dans le cadre d'une seule étude intégrée a permis à Revalio d'identifier des synergies, de dimensionner les équipements de manière cohérente et de livrer une base de conception complète pour l'ensemble du système de gestion de l'eau.
Résultats de l'étude
✓ Osmose inverse sélectionnée et dimensionnée comme technologie de production d'eau privilégiée, avec une séquence complète de prétraitements définie et simulée dans des conditions opérationnelles conservatrices.
✓ Unité de production d'eau dimensionnée à 400 L/h de capacité nominale, produisant de l'eau déminéralisée à 8 μS/cm et 76,2 % de récupération, couvrant largement la demande d'appoint de 157 L/h du DAC.
✓ Quatre technologies de traitement des eaux usées évaluées dans le cadre de trois modèles technico-économiques, avec la nanofiltration identifiée comme solution privilégiée pour l'élimination du PEI en dessous de 0,5 mg/L.
✓ Investissement en capital quantifié entre 25 et 60 k€ pour l'unité de production d'eau, avec un coût opérationnel de 4,9 €/m³, fournissant une base solide pour la prise de décision d'investissement.
✓ Évaporation passive identifiée comme option économique pour la minimisation des déchets liquides, nécessitant entre 100 et 140 m² de surface de bassin à l'air libre pour traiter 10 L/h de purge contaminée au PEI.
✓ Un ensemble clair de recommandations et d'étapes suivantes livré, comprenant des tests de nanofiltration à l'échelle pilote, un échantillonnage de variabilité de l'eau d'alimentation et l'ingénierie détaillée du concept de traitement retenu.
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